信念 道阻且長,而終點可期 一個公務員給全人類留下的數學難題

這篇文章,想講一個我完全不熟悉的學科,這個學科是我讀書時候的死敵,恨不得這門學科從地球上消失。

這門學科就是:數學!

1

首先,不要因為這圖裡的人長得像小學教學樓走廊上貼的科學家圖,就跳過本文。

讓我們先來到17世紀的法國南部圖盧茲附近的博蒙·德·洛馬涅。1601年的8月17日,本文的主人公,皮埃爾·德·費馬就出生在這裡。

費馬的父親,是當地的一家大皮革商店的擁有者,同時也是這個地區的第二執政官,換句話說,費馬就是一個「官二代+富二代」。

費馬小時候並沒有進學校,父親給他請了兩個家庭教師在家輔導——有錢嘛。雖然說費馬小時候並沒有表現出一鳴驚人的神童天賦,但也是一個非常聰明的孩子,他的文科和理科都很不錯。

到了1617年,費馬要進大學了。費馬遵從父親的意見,進大學讀了法律專業。因為當時17世紀法國男子最體面的職業,是做一名律師——你看,人家在17世紀就講究「依法治國」了。而且,家人已經花錢幫費馬買了一個「律師」和一個「參議員」的職位——好吧,剛講完法治,就「啪啪」打臉了。

簡而言之吧,費馬大學畢業後,如願做了律師,並擔任了參議員,雖然政績平平,但官階還是一路上升,最後做到了法國議會首席發言人。直到1665年1月12日,64歲的費馬安然辭世。

作為公務員,費馬的一生,就這樣結束了。

2

那,費馬和數學有什麼關係?

但事實上,費馬確實一輩子只是個公務員,從來沒當過數學家。數學,只是他的業餘愛好。

那麼好吧,一個「業餘數學家」,為什麼能夠名垂青史?因為,這個公務員費馬,利用業餘時間做的數學研究,對數論、概率論、微積分都做出過不小的貢獻。但相比他留下的那個定理,這些都是不值一提的。

奠定費馬「業餘數學家之王」頭銜的,是1637年,在費馬36歲的時候,提出了一個非常非常非常牛的定理,叫作:

費馬大定理!

定理就是定理,還要加個「大」,是不是聽上去很高級?(其實是區別於費馬另一個小定理。)

其實這個定理還有個名稱,叫「費馬最後定理」(Fermat''s Last Theorem),意思是所有定理都證明完了,這肯定是最後一個待解的定理。但中國人還是叫「費馬大定理」,不用管了,聽上去高級!

那麼,「費馬大定理」究竟是說什麼呢?

很簡單,那就是(下面一句話你可以自動忽略):

當整數n>2時,關於x、y、z的方程x+y=z沒有正整數解。

很簡單不是嗎?簡單到我都不屑於向你們解釋——反正,我們略過這句話,知道它是一個定理就對了。

最可恨的是,當時費馬是在閱讀丟番圖(Diophatus)《算術》的拉丁文譯本時,在第11卷第8命題旁隨手寫下這個定理的。

關鍵是,他還在旁邊加了一句:「關於此,我確信已找到了一個極佳的證明,但書的空白太窄,寫不下。」(拉丁文原文:「Cuius rei demonstrationem mirabilem saexi. Hanc marginis exiguitas non caperet.」)

這種管殺不管埋、毫不負責任的做法,拉開了之後300多年人類數學史上最艱苦卓絕的一場探索。

3

最先做出挑戰的是18世紀瑞士偉大的數學家歐拉,他先是發現費馬自己證明了n=4的情況,然後在1770年,歐拉給出了n=3時的證明。

這時,已經過去了133年。

之後,全世界最優秀的數學家,圍繞證明「費馬大定理」,開始了慘烈的競爭和接力。

開頭炮的是19世紀初法國自學成才的女數學家熱爾曼,在當時法國普遍歧視婦女的情況下,她獨立證明出了當n和2n+1都是素數時,費馬大定理的反例x、y、z至少有一個是n整倍數。(知道她達到了這個成就就行,不用去理解。)

然後,1825年德國數學家迪利克雷和法國數學家勒讓德分別獨立證明「費馬大定理」在n=5時成立。

這時,已經過去了188年。

1847年,戲劇性的一幕發生了:當時著名的數學家拉梅和柯西都宣布自己已基本證明「費馬大定理」。

然後德國數學家庫默爾寫來一封信。庫默爾證明不了「費馬大定理」,但他清晰地證明了這兩位數學家的證明都是錯誤的。

庫默爾是著名數學家高斯的學生,他當時還給出了另一個打擊全世界數學家的結論:按照現在的數學方法,「費馬大定理」是不可能證明的。

證明「費馬大定理」的革命浪潮,就此轉入低谷。

一低,就是半個世紀。

4

1908年,一位叫沃爾夫斯凱爾的德國人,重新將證明「費馬大定理」的熱情點燃了:他設立了10萬馬克的獎金,獎勵給最終做出證明的那個人。

沃爾夫斯凱爾為什麼要這麼做?因為「費馬大定理」救了他一條命。

沃爾夫斯凱爾其實只是一個數學愛好者,主業是一個實業家。年輕時,沃爾夫斯凱爾追求一個女生被拒絕,絕望的小夥子傻乎乎地決定自殺,而且決定了自殺的時間:午夜鐘聲一響,就開槍射擊自己的頭部。

嚴謹的德國人之前處理好自己的商業事務,寫好遺囑,還給所有親朋好友寫好信。結果一看時間:哎喲喂,提早了一點點,午夜還沒到!

為了消磨最後一點時間,他就到圖書室翻閱數學書籍,然後就看到了一篇關於「費馬大定理」證明的論文。

然後,他就開始拿起筆做起了計算。

然後,天就亮了。

他發現自己已經不想自殺了。

為了感謝「費馬大定理」救了自己一命(真是莫名其妙),他設立了10萬馬克的獎金,這筆錢的價值放到現在,超過100萬英鎊。

也不能說是「有錢能使鬼推磨」吧,總之,證明「費馬大定理」的熱情又在全世界範圍內被點燃,不計其數的數學家和業餘愛好者,又如飛蛾撲火一般地投入證明中去。

另一方面,由於電子計算機的發明,之前人類不可能做出的海量計算,現在成了可能。但這又如何呢?即便通過計算機證明n=1000萬時「費馬大定理」成立,也只是無窮接近證明,並不能從數學邏輯上根本證明該定理成立。

5

時間到了1963年,離證明「費馬大定理」被提出已經過去了足足326年。無數革命先烈,哦不,數學先烈,倒在了證明這條定理的道路上。

這一年,一個叫安德魯·懷爾斯的10歲英國孩子,第一次在一本書上看到了「費馬大定理」的故事。

真命天子,終於出現了。

在懷爾斯之前,越來越多的數學家,已經放棄了對「費馬大定理」的證明。關於「費馬大定理」無法證明的論斷,也越來越多。

1986年,已經是普林斯頓大學教授的懷爾斯,決定放棄一切其他的研究,開始向「費馬大定理」發起總衝擊——他判斷,可能需要10年專心致志的努力。

那一年,他33歲。開始研究「費馬大定理」的事,他沒有告訴任何人,除了他的妻子。

7年,就這樣過去了。

1993年6月23日,被稱為「本世紀最重要的一次數學演講」,在劍橋牛頓研究所拉開序幕。200多名數學家擠在房間里,把目光聚焦在懷爾斯身上。懷爾斯用數學公式寫滿幾塊黑板,然後聽到他說了一句:「我想,我就在這裡結束。」

山呼海嘯一般的掌聲!大家意識到,困擾了人類300多年的一道數學題,今天似乎真的被解決了!

第二天,全世界報紙的頭版,破天荒地出現了一個數學家的名字:安德魯·懷爾斯!

美國《人物》雜誌將懷爾斯與黛安娜王妃、奧普拉一起列為「本年度25位最具魅力者」之一。懷爾斯甚至被一家時裝公司請去做男裝廣告!

但數學是嚴謹的。懷爾斯長達200頁的手稿投交到《數學發明》雜誌後,數學家們在數以百計的電子計算機幫助下,開始了龐雜的審稿過程:只要有一個計算或邏輯出差錯,懷爾斯的證明將一文不值!

果然,悲劇發生了。在證明的過程中,有一個小環節,無法像懷爾斯說的那樣證明得通,他必須拿出更有力的說法。

1993年12月,懷爾斯公開承認證明有問題,但表示很快會補正。

之後,9個月過去了。

懷爾斯一籌莫展。

懷疑的聲音越來越響:懷爾斯只是30

上一章目錄+書簽下一頁